纳米碳纤维的微结构及表面性质与其电催化活性的内在规律研究

本项目以氧的阴极还原反应为探针反应，研究纳米碳纤维表面上基面和端面微结构的差异和表面性质对其催化活性的影响。主要研究纳米碳纤维作为催化剂时，其微结构对其表面含氧基团的影响，以及纳米碳纤维作为催化剂载体时，其微结构和表面性质对负载的纳米金属颗粒的影响及其对氧的阴极还原反应活性的影响。探索如何通过调控纳米碳纤维的微结构和表面性质来提高其催化性能，以及如何通过调控纳米碳纤维的微结构和表面性质来控制负载纳米金属颗粒的形态,提高其电催化活性。本研究的意义在于建立纳米碳纤维的微结构和表面性质与负载纳米金属颗粒形态之间的关系，揭示纳米碳纤维的微结构和表面性质与其催化性能的内在联系。

实验主要研究了CNFs微结构和表面官能团对氧还原反应(ORR)活性的影响，以及纳米碳纤维微结构和表面官能团对负载Pt催化剂ORR活性的影响。目前得到了以下研究成果：.(1)端面碳原子具有比基面原子更高的ORR活性，CNFs表面端面原子更有利于Pt纳米粒子在载体表面的分散，Pt/F-CNF催化剂的ORR活性高于Pt/T-CNF催化剂。.(2)采用不同的处理方法在F-CNF表面分别引入羧基、羰基、羟基以及氮元素为主官能团。电化学测试表明，无论是含氧官能团还是含氮官能团均能有效提高CNFs的催化活性，当CNFs表面有含氮官能团时，其ORR活性最高，其次为羧基、羰基，羟基。CNFs表面官能团能改变氧分子在其表面的吸附模型，从而改变氧分子的还原反应历程，含氮官能团使ORR朝“直接四电子”进行，含氧官能团能促进H2O2的进一步还原，使ORR朝“间接四电子”进行，而表面没有官能团的CNFs不能催化H2O2进一步还原，整个ORR过程，电子转移数均接近于2。无论是含氮官能团还是含氧官能团均具有良好的电化学稳定性。.(3) 分别以CNF-OX和CNF-OH为载体，采用乙二醇还原法负载了20 wt.%的Pt催化剂，电化学测试表明Pt/CNF-OH催化剂的ORR活性高于Pt/CNF-OX催化剂，这主要是CNFs表面羟基官能团更有利于吸附并结合Pt纳米粒子，从而使得Pt催化剂在CNF-OH表面具有更小的粒径及更均匀的粒径分布。.(4) 利用乙二醇法制备了不同Pt-Pd合金配比的催化剂，RDE结果表明，制备的合金催化剂随着铂含量的增加，氧还原催化活性依次增强，但含Pt量较多的Pt3Pd1/CNF例外。当Pt：Pd=2：1时，催化剂具有最好的氧还原催化性能，可归因于合适的Pt-Pd原子比、有利的原子间距和合金化程度的改变。